催化反应工程华东理工大学第3章催化反应器设计概论.ppt

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1、第三章 催化反应器设计概论第一节第一节 催化反应器基本类催化反应器基本类1 气气-固相固定床催化反应器固相固定床催化反应器2 气气-固相流化床催化反应器固相流化床催化反应器3 气气-液液-固三相悬浮床催化反应器固三相悬浮床催化反应器催化反应工程催化反应工程催化反应器：产量已定催化反应器：产量已定基本问题基本问题：放热反应移热；吸热反应供热放热反应移热；吸热反应供热 以移热为例：换热方式，催化床是绝热的，段间换热；以移热为例：换热方式，催化床是绝热的，段间换热；内冷自热式内冷自热式 催化床中插入冷管催化床中插入冷管 催化剂装在管内催化剂装在管内可逆放热反应的平衡可逆放热反应的平衡催化反应工程催化

2、反应工程接近平衡推动力减小催化床体积增大接近平衡推动力减小催化床体积增大固体催化剂颗粒固体催化剂颗粒 传质，压力降传质，压力降流体流动，压力降流体流动，压力降轴向流动，径向流动，轴径向流动轴向流动，径向流动，轴径向流动流体分布流体分布 还有材质，直径，反应器制造，运输还有材质，直径，反应器制造，运输催化反应工程催化反应工程一一 合成氨工业中的催化反应器合成氨工业中的催化反应器Topse s-200型氨合成器型氨合成器看设备图各主要部分气体流动催化剂装卸看设备图各主要部分气体流动催化剂装卸热膨胀热膨胀高温高压设备耐温不受压，耐压不受高温高温高压设备耐温不受压，耐压不受高温二二 炼油工业中的催化反

3、应器炼油工业中的催化反应器催化裂化反应器催化裂化反应器催化重整反应器催化重整反应器加氢裂化反应器加氢裂化反应器催化剂粒度催化剂粒度20-10020-100mm的微粒的微粒时间短时间短2-42-4秒，催化剂结焦失活，流态化催化反应器秒，催化剂结焦失活，流态化催化反应器反应器再生器反应器再生器催化反应工程催化反应工程催化反应工程催化反应工程催化反应工程催化反应工程流态化技术流态化技术气体分布颗粒的流动特性特征流速气体分布颗粒的流动特性特征流速床层的膨胀与压降气泡行为乳相行为床层的膨胀与压降气泡行为乳相行为流化床的热流化床的热、质传递颗粒夹带与分离数学模型质传递颗粒夹带与分离数学模型催化反应工程催化

4、反应工程催化反应工程催化反应工程催化反应工程催化反应工程催化反应工程催化反应工程三三 基本有机化工中的催化反应器基本有机化工中的催化反应器平行平行 连串连串 平行连串反应系统平行连串反应系统反应器进口气体组成，操作压力，操作温度，反应器进口气体组成，操作压力，操作温度，产量产量温度温度深度氧化的副反应，活化能大于主反应，反应热大于主反应的；深度氧化的副反应，活化能大于主反应，反应热大于主反应的；降低温度有利，若温度高，副反应加剧，飞温，可能烧坏降低温度有利，若温度高，副反应加剧，飞温，可能烧坏催化剂，反应器催化剂，反应器平衡常数与温度的关系平衡常数与温度的关系若在某一温度下，平衡常数小，可提高

5、操作压力若在某一温度下，平衡常数小，可提高操作压力移热问题移热问题反应速率与活性温度反应速率与活性温度催化反应工程催化反应工程 一 基础数学模型1 一维拟均相理想置换模型一维拟均相理想置换模型 22一维非均相理想置换模型一维非均相理想置换模型催化反应工程催化反应工程第二节第二节 催化反应器基础数学模型催化反应器基础数学模型“非均相非均相”与与“拟均相拟均相”模模型型4非均相非均相4考虑气流主体与催化剂颗粒外表面之间的温度差和浓度差，催化剂颗粒内部浓度差和温度差，传递过程队反应速率的影响计入模型，则称为非均相模型。4拟均相拟均相4采用“活性校正系数COR”来简化概括催化剂粒内和催化剂外表面与气相

6、间的热、质传递过程和催化剂失活等因素对反应速率的影响，即“拟均相”模型。催化反应工程催化反应工程33二维拟均相数学模型二维拟均相数学模型 44一维非均相返混模型一维非均相返混模型 催化反应工程催化反应工程二二 基本计算方程基本计算方程 建立模型建立模型 催化反应工程催化反应工程 催化反应器的数学模型催化反应器的数学模型实例实例 上海焦化有限公司年产上海焦化有限公司年产20万吨甲醇合成反应器万吨甲醇合成反应器 反应器内径反应器内径4m,反应管数反应管数6705根，催化剂根，催化剂44m3 91年年 三联供立项三联供立项 92年年 甲醇合成反应器宏观动力学研究，反应器模拟设计甲醇合成反应器宏观动力

7、学研究，反应器模拟设计 94年年 南化机反应器制造完成，从长江浮运到黄浦江南化机反应器制造完成，从长江浮运到黄浦江 95年年 开车成功开车成功催化反应工程催化反应工程兖矿鲁南化工公司年产兖矿鲁南化工公司年产10万吨甲醇装置万吨甲醇装置1995年年 筹建筹建1998年年3月月 华东理工大学提交反应器基础设计华东理工大学提交反应器基础设计1999年年 反应器制造完成反应器制造完成2000年初年初 安装安装2000年年5月月 投产成功，产品达到美国投产成功，产品达到美国US AA级级 甲醇标准甲醇标准催化反应工程催化反应工程反应器模拟设计必须具备的条件反应器模拟设计必须具备的条件1 1 反应过程：反

8、应过程：反应物系、催化剂、操作条件、转化率、选择性、收率反应物系、催化剂、操作条件、转化率、选择性、收率2 热力学：热力学：物性参数、粘度、导热系数、扩散系数、状态方程、平衡物性参数、粘度、导热系数、扩散系数、状态方程、平衡 常数、逸度系数、反应热常数、逸度系数、反应热 3 反应动力学：反应动力学：4 质量、热量传递过程：质量、热量传递过程：催化反应工程催化反应工程 催化反应工程催化反应工程第三节第三节 催化反应器的操作参数催化反应器的操作参数1、反应温度、反应温度 催化反应工程催化反应工程2.2.操作压力操作压力3.反应物的初始组成反应物的初始组成4.空速空速5.催化剂的颗粒催化剂的颗粒 催化反应工程催化反应工程 1 绝热反应器催化反应工程催化反应工程催化反应工程催化反应工程单管逆流反应器管壳型反应器 催化反应工程催化反应工程 催化反应工程催化反应工程 作业（习题作业（习题1 1）